ОБОСНОВАНИЕ МАСШТАБОВ ПОДОБИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В УСТАНОВКАХ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ГИДРОБИОНТОВ
Авторы:
1.
Калининградский государственный технический университет
(кандидат технических наук, доцент; заведующий кафедрой промышленного рыболовства)
2.
Калининградский государственный технический университет
(кандидат технических наук; ведущий научный сотрудник)
3.
Калининградский государственный технический университет
(канд. биол. наук, доцент; профессор кафедры аквакультуры, биологии и болезней гидробионтов)
Россия
Россия
4.
Калининградский государственный технический университет
(канд. биол. наук; зам. зав. кафедрой аквакультуры, биологии и болезней гидробионтов)
Россия
Россия
Тип:
Статья
Страницы:
с 7
по 13
Статус:
Опубликован
Получено:
16.03.2021
Одобрено:
17.03.2021
Опубликовано:
17.03.2021
Классификаторы:
УДК 68 Различные отрасли промышленности и ремесла
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
оптические величины, масштаб, физическое подобие, установка замкнутого водоснабжения, открытый садок аквакультуры, гидробионты, поведение гидробионтов
Аннотация (русский):
Рассматриваются проблемы физического моделирования элементов установок замкнутого водоснабжения (УЗВ) и открытых садков аквакультуры (ОСА) для выращивания гидробионтов, в частности, поднимается тема обоснования правил подобия оптических величин. Постановка задачи строится на предположении, что внедрение «машинного зрения», учитывающего поведенческие реакции гидробионтов на условия выращивания, в частности воздействие света, сделает биотехнический процесс действительно управляемым в УЗВ и ОСА и, как следствие, более эффективным. Оценка величины воздействия света на биологические объекты с точки зрения глубины его проникновения в бассейны, степени рассеивания в группировке гидробионтов и других проявлений может стать важным элементом «машинного зрения». Это позволит выбрать оптимальный алгоритм биотехнического процесса, например, рассчитать величину суточной дозы корма, частоту кормления, выбрать оптимальное место для кормления, рассчитать целесообразные сроки сортировки, оптимальную плотность посадки и пр. Предлагаются дополнительные масштабы подобия для оптических величин, приводятся методы их вычисления и графики их зависимостей от геометрического масштаба Cl. Однако необходимо понимать, что достижение полного подобия принципиально невозможно, сколь бы ни был велик перечень критериев подобия.
Рассматриваются проблемы физического моделирования элементов установок замкнутого водоснабжения (УЗВ) и открытых садков аквакультуры (ОСА) для выращивания гидробионтов, в частности, поднимается тема обоснования правил подобия оптических величин. Постановка задачи строится на предположении, что внедрение «машинного зрения», учитывающего поведенческие реакции гидробионтов на условия выращивания, в частности воздействие света, сделает биотехнический процесс действительно управляемым в УЗВ и ОСА и, как следствие, более эффективным. Оценка величины воздействия света на биологические объекты с точки зрения глубины его проникновения в бассейны, степени рассеивания в группировке гидробионтов и других проявлений может стать важным элементом «машинного зрения». Это позволит выбрать оптимальный алгоритм биотехнического процесса, например, рассчитать величину суточной дозы корма, частоту кормления, выбрать оптимальное место для кормления, рассчитать целесообразные сроки сортировки, оптимальную плотность посадки и пр. Предлагаются дополнительные масштабы подобия для оптических величин, приводятся методы их вычисления и графики их зависимостей от геометрического масштаба Cl. Однако необходимо понимать, что достижение полного подобия принципиально невозможно, сколь бы ни был велик перечень критериев подобия.
Ключевые слова:
оптические величины, масштаб, физическое подобие, установка замкнутого водоснабжения, открытый садок аквакультуры, гидробионты, поведение гидробионтов
оптические величины, масштаб, физическое подобие, установка замкнутого водоснабжения, открытый садок аквакультуры, гидробионты, поведение гидробионтов
Введение
Перспектива такого направления аквакультуры, как выращивание гидробионтов в установках замкнутого водоснабжения (УЗВ) и открытых садках аквакультуры (ОСА) обусловлено взаимодействием двух групп факторов.
Первую группу формируют факторы, обуславливающие экологичность процесса выращивания гидробионтов в УЗВ и ОСА. С одной стороны, использование в установках артезианской воды позволяет присвоить выращиваемой продукции статус экологически чистой. Рыба, выращенная
в УЗВ, признается в Евросоюзе экологически чистой [1, 2]. С другой стороны, возможность концентрации выходящей из УЗВ части технологической воды с органическим осадком позволяет утилизировать ее и исключить в той или иной мере загрязнение поверхностных водоисточников.
Вторую группу составляют абиотические и биотические факторы, позволяющие в наибольшей степени реализоваться ростовой, адаптогенной, репродуктивной потенции у гидробионтов.
Современный уровень научного обоснования, реализованный в практике разведения
и выращивания гидробионтов в УЗВ, позволяет говорить о возможности сокращения возраста созревания рыб в 1,5–2 раза по сравнению с открытыми рыбоводными системами, о сокращении продолжительности выращивания посадочного материала и товарной рыбы в 2–3 и более раз
[2, 3]. В УЗВ достигнута наибольшая величина рыбопродукции – 80–150 кг/м3 – у большинства выращиваемых рыб, у угря и клариевого сома – 300–500 кг/м3. Только в условиях УЗВ удается реализовать полицикличные технологии разведения и выращивания рыб, когда в течение календарного года возможно 2 и более раз получать потомство рыб в равноотстоящие сроки, соответственно, столько же раз выращивать товарную рыбу. В этом случае речь идет о двукратном
(и более) использовании в течение года одних и тех же инкубационных аппаратов, питомных
и нагульных бассейнов. Как следствие, в 2–3 раза и более увеличивается величина рыбопродукции [2, 4, 5]. Однако при всей привлекательности приведенных цифр следует признать, что имеются резервы для увеличения эффективности выращивания гидробионтов в УЗВ. В основе метода повышения рыбопродуктивности должен быть учет поведенческих особенностей гидробионтов, проявляемых в ограниченных объемах бассейнов. Но одной визуальной оценки поведения гидробионтов недостаточно. Понять глубину происходящих изменений в поведении гидробионтов во времени и пространстве можно только на основе внедрения в процесс выращивания «машинного зрения». Восприятие в статике и динамике реакций гидробионтов на абиотические условия, плотность их распределения в объеме бассейна, дачу порций корма и иные факторы позволит при наборе определенного статистического материала создать модель управления процессом выращивания гидробионтов, которую можно использовать, заложив в программу,
в качестве основного элемента управления биотехническим процессом.
Установление обратной связи между «машинным зрением» и поведенческой реакцией гидробионтов на условия выращивания сделает биотехнический процесс действительно управляемым и, как следствие, более эффективным. Важным элементом «машинного зрения» в этой связи может стать оценка величины воздействия света на биологические объекты с позиции глубины его проникновения в бассейны, степени рассеивания в группировке гидробионтов
и других проявлений. На основании выполненной оценки можно выбрать оптимальный алгоритм биотехнического процесса, например, рассчитать величину суточной дозы корма, частоту кормления, место выдачи порций корма, целесообразные сроки сортировки, оптимальную плотности посадки и т. п.
Предваряя практическую реализацию «машинного зрения» в УЗВ, необходимо заложить основательную теоретическую базу с учетом всего многообразия учитываемых факторов, а так-же видовых и возрастных отличий объектов выращивания. В связи с этим в настоящей статье предлагается математическое обоснование масштабов подобия оптических величин в УЗВ, учитываемых при выращивании гидробионтов.
Постановка задачи
В ходе эксперимента шведских ученых при выращивании форели, когда свет включали только на период кормления, а затем восстанавливали сумеречный режим освещенности, был получен дополнительный эффект по скорости роста и эффективности конвертации пищи [6].
В опыте норвежских ученых в течение суток воспроизводили два искусственных суточных режима, что, по мнению исследователей, способствовало более раннему созреванию лосося при выращивании в садках в море [7].
Обоснование правил подобия физического моделирования УЗВ и ОСА для выращивания гидробионтов является важной задачей для определения характеристик оптических величин. Для соблюдения условий освещенности в УЗВ и ОСА требуется установка оптических датчиков. Расчет величин освещенности, фокусного расстояния, оптической силы позволит оптимизировать технологические процессы, увеличить продуктивность бассейнов УЗВ и ОСА и сократить расходы.
Основной задачей подобия оптических величин УЗВ и ОСА является определение пара-метров окуляра, линзы, имеющих различные характеристики, которые необходимы для «машинного зрения» в УЗВ и ОСА. При проектировании УЗВ и ОСА недостаточно масштабов физических характеристик гидродинамических и термодинамических, акустических процессов, протекающих в УЗВ при динамическом подобии, т. к. они не учитывают процессы оптики, протекающие в УЗВ и ОСА [8–11].
Рассмотрим размерности основных оптических величин (табл. 1).
Таблица 1
Размерности оптических величин
Величина Размерность
Длина волны L
Период колебаний T
Показатель (коэффициент) преломления –
Сила света J
Световой поток J
Световая энергия TJ
Освещенность L–2J
Светосила объектива –
Оптическая сила L–1
Увеличение линейное, продольное –
Увеличение окуляра, микроскопа, лупы –
Угол отражения луча –
Угол падения луча –
Фокусное расстояние L
Частота колебаний T–1
Поток излучения и мощность излучения L2MT–3
Энергия излучения L2MT–2
На основании [12] найдем масштабы подобия оптических величин.
Масштаб CQe энергии излучения L2MT–2 через масштаб геометрических размеров Cl:
(1)
Масштаб CIv силы света J:
(2)
На основании сопоставления энергетических и световых единиц масштаб светового потока представим
(3)
а масштаб световой энергии
(4)
Масштаб CEv освещенности L–2J:
(5)
Масштаб CФe потока излучения и мощности излучения L2MT–3:
(6)
Материалы исследования
С учетом масштабов оптических величин (1)–(6) отобразим их в табл. 2.
Таблица 2
Основные масштабы подобия оптических величин
Физические характеристики Обозначение Преобразование через масштаб Cl
Длина волны Cλ Cl
Период колебаний Ct Cl5/4
Показатель (коэффициент) преломления Cn 1
Сила света CIv Cl5/4
Световой поток CФv Cl5/4
Световая энергия CQv Cl5/2
Освещенность CEv Cl–3/4
Светосила объектива Cfv 1
Оптическая сила CD Cl–1
Увеличение линейное, продольное Cβv 1
Увеличение окуляра, микроскопа, лупы CГe 1
Угол отражения луча Cεv 1
Угол падения луча Cεe 1
Фокусное расстояние CFe Cl
Частота колебаний Cfe Cl–5/4
Поток излучения и мощность излучения CФe Cl5/4
Энергия излучения CQe Cl5/2
Отобразим на графиках (рис. 1 и 2) зависимости CD = f(Cl) и CFe = f(Cl).
Рис. 1. График зависимости CD = f(Cl)
Рис. 2. График зависимости CFe = f(Cl)
На графике CFe = f(Cl) (рис. 1) изображена гиперболическая зависимость масштаба CD от масштаба Cl. На графике CFe = f(Cl) (рис. 2) изображена прямая пропорциональность масштабов CFe и Cl.
Заключение
Таким образом, использование теории динамического подобия А. А. Недоступа при обосновании правил подобия оптических величин позволяет без проведения экспериментов на уста-новках замкнутого водоснабжения и в открытых садках аквакультуры определять основные свойства «машинного зрения», которое необходимо для моделирования управления техническими средствами рыбоводства, а также процессами выращивания гидробионтов в УЗВ и ОСА.
1. Domarkas A., Goncarenok O. ir kiti. Apytakinės žuvự auginimo sistemos Lietuvos hidrobiologu draugija. Vilnius, 2010. P. 280.
2. Хрусталев Е. И., Курапова Т. М. и др. Современные проблемы и перспективы развития аквакультуры. СПб.: Лань, 2017. 416 с.
3. Хрусталев Е. И., Хайновский К. Б., Гончаренок О. Е. Основы индустриальной аквакультуры: учеб. СПб.: Лань-Пресс, 2019. 280 с.
4. Хрусталев Е. И., Молчанова К. А., Курапова Т. М. Полицикличные технологии выращивания рыбы в установках замкнутого водоснабжения // Материалы науч. мероприятий, приуроч. к 15-летию Юж. науч. центра Рос. акад. наук: Междунар. науч. форума «Достижения академической науки на Юге России»; Всерос. науч. конф. «Аквакультура: мировой опыт и российские разработки». Ростов н/Д.: Изд-во ЮНЦ РАН, 2017. С. 376-378.
5. Хрусталев Е. И. Полицикличные технологии в индустриальном рыбоводстве // Рыбное хозяйство. 2008. № 5. С. 57-59.
6. Sánchez-Vázquez F. J., Tabata M. Circadian rhythms of demand-feeding and locomotor activity in rainbow trout // Journal of Fish Biology. 1998. N. 52 (2). P. 255-267.
7. Зиланов В. К., Борисов В. М., Лука Г. И. Рыбное хозяйство Норвегии. М.: Изд-во ВНИРО, 2017. 296 с.
8. Недоступ А. А. Физическое моделирование гидродинамических процессов движения орудий рыболовства // Вестн. Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2012. № 3 (19). С. 55-67.
9. Недоступ А. А. Физическое моделирование орудий и процессов рыболовства: моногр. Калининград: Изд-во КГТУ. 2012. 375 с.
10. Недоступ А. А., Ражев А. О. К теории электродинамического подобия промысловых механизмов // Изв. Калинингр. гос. техн. ун-та. 2020. № 56. С. 61-70.
11. Недоступ А. А., Ражев А. О., Хрусталев Е. И., Бедарева О. М. К теории термодинамического подобия установок замкнутого водоснабжения для выращивания гидробионтов // Изв. Калинингр. гос. техн. ун-та. 2020. № 57. С. 40-53.
12. Недоступ А. А., Ражев А. О., Хрусталев Е. И. Обоснование масштабов подобия световых величин установок замкнутого водоснабжения для выращивания гидробионтов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Рыбное хозяйство. 2020. № 3. С. 61-69.
